CC BY
123
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 4. Вып. 1 • 2013 Специальный выпуск СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Кора — мантия — ядро Crust — Mantle — Core / Krusten — Mantel — Kern
УДК 556.502/504
Хаустов В.В.
Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
Хаустов Владимир Васильевич, доктор геолого-минералогических наук, доцент Юго-Западного государственного университета (г. Курск)
E-mail: [email protected]
Исследованы подземные воды нижнего гидрогеологического этажа Большого Кавказа, обычно представленные углекислыми гидротермами. Установлена идентичность глубинного «корневого» флюида вне зависимости от его приуроченности к той или иной структурно-формационной зоне мегантиклинория Большого Кавказа. Разработана возможная модель формирования глубинных вод на основе современных представлений о глубинной геодинамике и геотектонике последнего. Использование предлагаемой модели формирования углекислых соляно-щелочных гидротерм открывает перспективы разведочных работ на углекислые минеральные и промышленные воды в пределах восточного и западного крыльев всей горно-складчатой системы Большого Кавказа.
Ключевые слова: дегазация, геодинамика, субдукция, гидротермы, формирование углекислых гидротерм, углекислые минеральные воды, тектонические разломы.
Провинция углекислых вод охватывает горные районы Большого Кавказа и является одной из крупнейших в Альпийско-Гималайском подвижном поясе. Гидроуглекислые проявления распространены вдоль простирания Главного хребта от среднего течения р. Мзымта до верховьев р. Андийское Койсу на протяжении почти 500 км при ширине примерно 2030 км. В районе Кавказских Минеральных Вод (КМВ) область углекислых вод распространяется на 150—200 км к северу, углубляясь на южную окраину Скифской плиты. Подсчитано, что из 878 известных углекислых источников Кавказа на долю крупнейших вулканических районов приходится 627 (Эльбрусская — 427, Казбекская — 193), то есть 71%. На Северном Кавказе, где и проявился в основном вулканизм этих областей, расположено свыше 91% всех источников [Пантелеев 1972], что дает основание всю область распространения углекислых вод Б. Кавказа считать ЦентральноКавказской [Врублевский 1962].
На Южном склоне Большого Кавказа углекислых источников значительно меньше — около 40. Подобное распределение углекислых источников относительно Главного хребта отражает структуру его южного склона — здесь комплексы пород юрского и мелового возраста надвинуты на более молодые отложения Куринской и Рионской впадин и, по-видимому, экранируют поток глубинных газов. На Западном и Восточном Кавказе мощность карбонатных отложений также существенно возрастает, что также может способствовать экранированию и рассеянию глубинного флюида и реакционному удалению из него углекислого газа [Хаустов 1990].
Анализ геологических условий выходов углекислых вод Большого Кавказа показывает, что подавляющее большинство их разгружается непосредственно в зонах крупных нарушений или вблизи от них. Локализация гидротермальных жил, сухих газовых струй и полей травертинов контролируется теми же разрывными нарушениями. Аналогичная ситуация предстает и в Казбекском вулканическом районе: именно с глубинными разломами связаны наиболее минерализованные и обогащенные щелочами, хлором, бором и прочими элементами, углекислые источники (Тибские, Хасиевские, Касарские, Зарамагские и др. [Макаренко 1950]. На участках пересечения Казбекской поперечной зоны продольными структурами лежит Кармадонское месторождение термальных вод, являющихся типичным аналогом гидротерм областей современного вулканизма. На южном продолжении Казбекской зоны расположено Джульфинское месторождение мышьяковых вод, генетически связанных с глубинными процессами [Аверьев 1966].
Приуроченные к зонам разломов глубокого заложения углекислые воды создают аномалии на общем гидрохимиче-
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 4. Вып. 1 • 2013 Специальный выпуск СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 4, issue 1 Special issue 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb 'Raum und Zeit' Band 4, Ausgabe 1 Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
ском фоне, присущем водам конкретного петрографического комплекса пород, которые выражаются в следующем: по мере приближения выходов минеральной воды к разрывным нарушениям возрастает их хлоридность и щелочность [Будзинский 1962]. При этом необходимо отметить, что внутриформационные разрывы не оказывают влияния на химический состав углекислых вод. Выявлено также резкое отклонение значений коэффициентов (Na-SO4)/Cl и Cl/B от аналогичных на участках пересечения продольных и поперечных разломов, что свидетельствует о поступлении здесь из глубины высоких концентраций хлора [Масуренков 1961]. Распределение растворенной углекислоты четко подчиняется одной лишь закономерности: максимальные значения упругости CO2 наблюдаются в источниках, приуроченных к глубинным разломам [Погорельский 1973; Яроцкий 1976; Вартанян 1977].
В статье сделана попытка учесть в модели формирования углекислых вод Большого Кавказа (в связи с дискуссионно-стью), его современный глубинный геодинамический режим.
Подземные воды, распространенные в пределах Центрального кристаллического ядра Большого Кавказа, относятся преимущественно к трещинному или трещинно-жильному типам. Они представляют единую водоносную систему, в пределах которой по условиям питания, характеру циркуляции и химическому составу четко выделяются две зоны [Врублевский 1962; Овчинников 1963]. Статистическая обработка представительных гидрогеохимических материалов позволила получить для подземных вод выделенных зон наиболее типичные отношения HCO3/CI и Са/К (мг/л). Для глубоких вод с повышенной минерализацией отношение HCO3/Cl изменяется в пределах 0,3...8,5; Са/К — 0,004...5. Существенно метеорным водам верхнего гидрогеодинамического этажа характерны значения HCO3/Cl 12 и выше; Са/К — 8 и выше. С помощью этих отношений возможна достаточно точная идентификация любого водопроявления исследуемого региона [Хаустов 2009].
К верхней зоне относятся воды инфильтрационного генезиса, главными факторами формирования химического состава которых являются климатические условия, особенности вмещающих горных пород, а также антропогенное воздействие, роль которого в последние десятилетия резко возрастает. Инфильтрационные подземные воды характеризуются низкой минерализацией (до 0,4 г/л) и преимущественно гидрокарбонатно-кальциевым составом. Формирование вод верхнего этажа, отличающихся низкой минерализацией, осуществляется преимущественно за счет взаимодействия с вмещающими породами, что надежно подтверждено результатами физического моделирования (водные вытяжки из распространенных пород региона) [Будзинский 1962; Куцева 1975; Хаустов 1990]. Процессы выщелачивания горных пород метеорными водами интенсифицируются под влиянием микробиологического фактора: известна группа бактерий (гетеротрофные организмы), разлагающих вмещающие силикатные породы и растворяющие наиболее подвижные элементы — магний, кальций, кремний [Ляликова 1980].
Нижнюю зону образуют напорные воды повышенной минерализации. Наиболее многочисленными и яркими представителями глубинных вод являются, безусловно, углекислые соляно-щелочные воды. Большая часть из них при выходе на поверхность имеют сравнительно невысокую температуру, однако исследования, проведенные с использованием гидрохимических геотермометров, убедительно свидетельствуют об их высокой температуре в области формирования, которая падает по мере продвижения этих вод к поверхности Земли [Масуренков 1971; Хаустов 1990; Лаврушин Маковозов 2004]. Это трещинные, трещинно-жильные гидротермы, тяготеющие к зонам крупных тектонических нарушений. Наиболее широко они представлены в пределах кристаллического ядра Большого Кавказа. Воды отличаются высокой газонасыщенностью (как правило, выше 500 мл/л) и углекислым или углекисло-азотным составом газа (соотношение растворенных газов составляет (в об. %): СО2 — 55^90; N2 — 1^39; Н2 — 13^43; СН4 — 0,1^1,2), характеризуются гидрокарбонатно-хлоридным, реже хлоридно-гидрокарбонатным анионным составом, среди катионов доминирует натрий. Минерализация их варьирует в интервале 2—12 г/л, следует также отметить обогащение микрокомпонентами — К, Li, Rb, Cs, F, В, I, As. Общей особенностью большинства углекислых вод Большого Кавказа на фоне подобных вод других регионов является повышенное как абсолютное, так и относительное содержание хлор-иона, несмотря на приуроченность этих вод к различным структурно-формационным зонам — Главному, Передовому, Скалистому хребту или же к Тырныауз-Пшекишской шовной зоне. Даже в случае низкой минерализации воды (1—2 г/л) концентрация хлора в них достигает 300—800 мг/л, что, судя по результатам физического моделирования, не может быть обеспечено взаимодействием воды с вмещающей геологической средой [Хаустов 1990]. В связи с этим, формирование углекислых вод относится к числу дискуссионных вопросов. Существующие воззрения на их природу в настоящее время могут быть сведены к следующим принципиально отличным точкам зрения.
По мнению одних исследователей, в основе формирования углекислых минеральных вод лежит процесс смешения инфильтрационных и седиментационных вод, т. е. их химический состав является отражением палеогидрогеологических условий района и литологии водовмещающих пород. При этом состав интрузий, к которым, главным образом, приурочены непосредственные выходы рассматриваемых вод, по мнению авторов, существенной роли не играет [Врублевский 1962 и др.]. Не отрицая в принципе возможности формирования углекислых минеральных вод по предложенному механизму, необходимо признать, что в приложении, например, к Эльбрусскому вулканическому району он точно не приемлем. Поскольку в этом районе чрезвычайно слабо развиты, а на большей части территории вообще отсутствуют дочет-вертичные осадочные образования, воды седиментационного генезиса не могут играть сколь-нибудь заметной роли в рассматриваемом процессе. Тезис о «привносе некоторых элементов из магматического очага», предложенный авторами
Special issue 'The Earth Planet System' Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
в дополнение к основной модели, ясности не вносит, так как, во-первых, непонятно, какие именно элементы имеются в виду, а во-вторых, остается открытым вопрос, как эти элементы попали в магматический очаг.
Другие исследователи полагают, что ведущим процессом в формировании углекислых вод является интенсивное взаимодействие в системе «инфильтрационные воды — углекислый газ — горные породы» в условиях экстремальных температур и давлений при активизирующей роли хлора. Обогащение вод К, и, ЯЬ, Cs, F, В, Вг, As контролируется литоло-го-геохимическими особенностями водовмещающих пород [Крайнов 1973; Крайнов и др. 1974; Крайнов, Рыженко, Швец 2004]. Однако с позиции гипотезы отмеченных авторов трудно объяснить повышенные концентрации перечисленных выше микрокомпонентов, а также хлор-иона к примеру в водах, приуроченных к неоинтрузии эльджуртинских гранитов, ибо в самих гранитах все они, за исключением Сs, присутствуют на уровне кларковых концентраций или даже ниже [Ля-хович 1976]. Невозможность мобилизации хлора из вмещающих пород в количестве, необходимом для достижения фактической концентрации в углекислых водах доказана большим объемом полевых и экспериментальных работ [Будзин-ский 1962; Хаустов 1990]. Этими авторами были произведены водные вытяжки из внушительного числа образцов горных пород, отобранных практически во всех структурно-формационных зонах Эльбрусского вулканического района. Результаты физического моделирования системы «горные породы-вода» убедительно выявили пространственную разобщенность районов повышенной хлоридности углекислых минерализованных вод и наиболее засоленных пород.
Наиболее глубокий структурный этаж, вскрытый эрозией в зоне Главного хребта, характеризуется относительно других структурных этажей небольшой концентрацией галогенов, аммония и бора. Это связано с региональным метаморфизмом первоначально слагающих зону отложений и отгоном галогенов. А анализ распределения щелочей и галогенов в эльджуртинских гранитах (Тырныауз) и других породах района приводит к выводу о том, что лишь рубидий и цезий могут быть мобилизованы (по крайней мере значительная их часть) из пород в процессе выщелачивания. Так, структурная скважина № 104, пройденная вертикально по эльджуртинским гранитам в пойме правого берега р. Баксан, вскрыла подземные воды с чрезвычайно высоким содержанием лития (260 мг/л). В то же время данные В.В. Ляховича свидетельствуют о содержаниях лития, рубидия и цезия в керне этой скважины лишь немногим выше кларковых, а содержания фтора и бора даже ниже кларковых [Ляхович 1976].
По мнению Г.А. Арсановой, высокое содержание редких щелочей и характерное для хлоридно-натриевых гидротерм отношение и:ЯЬ^ как 100:13:14 свидетельствует об эндогенном привносе этих элементов [Арсанова 1974; 2012]. В подземных водах глубокой циркуляции и:ЯЬ^ = 100:8:6, в то время как например эльджуртинскому граниту характерно подобное отношение как 25:100:8. Интенсивный термометаморфизм, выщелачивание горных пород в условиях высоких Т и Р, безусловно, способствуют активному отгону и выносу летучих элементов в верхние горизонты земной коры. Известны экспериментальные работы [Крайнов, Петрова, Батуринская 1973; Хитаров, Колонин 1962 и др.], показывающие, что в условиях экстремальных Т и Р из пород интенсивно извлекаются литий, рубидий, цезий, фтор, бор, мышьяк и другие элементы (наиболее интенсивно в хлоридных углекислых средах). Однако и здесь неизбежно возникают трудности интерпретации с подобной позиции по следующей причине. Плотность теплового потока в Эльбрусском вулканическом районе более 4 мккал/(см2-с) [Масуренков 1971], в Казбекском вулканическом районе — 3 мккал/(см2-с) [Сухарев, Тарануха 1977]. Осадочные породы Казбекского вулканического района регионально метаморфизованы до аспидных, часто филлитовидных сланцев, в то время как осадочные породы Эльбрусского вулканического района почти не затронуты процессами регионального метаморфизма. Несмотря на это, углекислыми водами Казбекского вулканического района (Кармадонские источники и др.) выносится больше бора, хлора, щелочей и других элементов (рис. 1), чем аналогичными водами Эльбрусского вулканического района.
Рис. 1. Изменение содержания хлора и бора в углекислых водах Большого Кавказа в общей схеме их горизонтальной гидрогеохимической зональности от р. Лаба до р. Андийское Койсу [Масуренков, Пахомов 1961 ]
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 4. Вып. 1 • 2013 Специальный выпуск СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 4, issue 1 Special issue 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb 'Raum und Zeit' Band 4, Ausgabe 1 Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
Составим ориентировочный баланс летучих компонентов глубинных вод — хлора и бора, к примеру, в пределах эльджуртинской неоинтрузии. Среднее содержание в эльджуртинских гранитах хлора 30 г/т, бора — 11 г/т. Суммар-
V/ V/ V/ w / и \
ный расход углекислых вод нижней гидрогеохимической зоны в пределах эльджуртинской неоинтрузии (учтенный) составляет 12514 м3/сут. Следует не упускать также из вида существенную разгрузку углекислых вод по дну долин тектонического происхождения. Так, процесс подтока этих вод в водоносный горизонт аллювиальных отложений р. Бак-сан надежно фиксируется по возрастанию хлоридности грунтовых вод в придонных слоях (мощность аллювия до 150 м). Поэтому условно принимаем суточный расход углекислых вод 20000 м3/сут. Исходя из средних концентраций в углекислых водах хлора (800 мг/л) и бора (900 мг/л), годовой вынос этих компонентов составит соответственно 576 и 720 т. Такое количество летучих компонентов может быть вынесено из объема эльджуртинских гранитов (при р = 2,6 т/м3): по хлору — 0,006 км3; по бору — 0,023 км3. Эти оценки означают, что за время существования Эльджуртинской гидротермальной системы (1,8 млн лет [Хитаров и др. 1980]) при постоянном расходе обеспечить такой вынос летучих на поверхность могут 10800 км3 породы (по хлору) и 41400 км3 (по бору). При сечении эльджуртинской неоинтрузии 10 км2 в приповерхностных горизонтах и 100 км2 на более глубоких горизонтах «столб» породы должен иметь высоту (глубину) Hci = 108 км и Нв = 414 км, что не вписывается ни в какие современные представления о строении земной коры континентального типа. Необходимо также учитывать, что весь объем пород должен быть при этом раздроблен, и на текущий момент все запасы в них хлора и бора сработались бы, чего не наблюдается. Настоящие расчеты весьма грубы и условны, однако они убедительно показывают невозможность мобилизации фактических концентраций хлора и бора в минерализованных водах нижней гидрогеохимической зоны из вмещающих пород. Следовательно, необходимо найти иное адекватное объяснение их хлоридности и бороносности.
Г.С. Вартанян отводит главенствующую роль в формировании углекислых минеральных вод процессам регионального метаморфизма [Вартанян 1977]. Опираясь на гипотезу Г.С. Вартаняна и учитывая представления А.А. Маракушева и Л.Л. Перчука о термодинамическом флюидном режиме Земли [Маракушев, Перчук 1974], пожалуй, наиболее обоснованную модель формирования углекислых вод предложила Н.М. Елманова [Елманова, Шолпо 1981]. Согласно этой модели главная роль в рассматриваемом процессе принадлежит «хвостам» гидротермальных струй, поступающим из мантии. Восходящие мантийные флюиды, имеющие изначально восстановительный характер, на глубинах 16—20 км взаимодействуя с породами земной коры, окисляются и выделяют СО2, Н2О и тепловую энергию. В результате этих процессов происходит возбуждение регионального метаморфизма (вплоть до ультраметаморфизма), осуществляется палингенное преобразование пород, сопровождающееся увеличением их объема до 10—12%, вспучивание и разламывание вышележащей части коры, внедрение по ослабленным зонам разломов магматических расплавов и гидротермальных растворов. Таким образом, в модели Н.М. Елмановой ведущее место в формировании углекислых вод отводится мантийногенным флюидам. Реальность этого представления подтверждается фактическими данными по определенным отношениям 3Не/4Не в источниках, приуроченных к Транскавказскому поперечному поднятию [Матвеева, Толстихин 1978; Поляк и др. 1998; Лаврушин 2008].
Среди исследователей, допускающих активное участие эндогенных вод в формировании химического состава гидротерм областей современного вулканизма, существуют следующие взгляды на природу последних:
— смешение инфильтрационных вод с высокоэнтальпийными флюидами мантийного происхождения над областями локального плавления корового субстрата [Аверьев 1966; Вакин, Кутыев 1979; Масуренков, Собисевич 2011];
— поступление флюида, отделяющегося в ходе формирования и кристаллизации малоглубинного магматического очага [Kllis, Machón 1967, 1977; Kilder 1969];
— смешение метеогенных вод и магматических флюидов, отделяющихся в процессе формирования и кристаллизации малоглубинного магматического очага [White 1968; White, Muffler, Trussdell 1971; Sakai, Matsubaya 1977];
— смешение приповерхностных вод с фумарольными газовыми струями [Пахомов 1965].
Как справедливо заметил В.А. Пампура, на современном уровне знаний об эволюции гидротермальных систем нельзя отдать предпочтение ни одному из этих взглядов [Пампура 1985]. Тем не менее, общепризнано, что ведущим процессом формирования термальных вод современных гидротермальных систем является смешение инфильтрационных (в ряде случаев — океанических) вод с глубинными водами иного происхождения.
В районах современного магматизма допускается участие эндогенных (ювенильных) вод или отдельных компонентов (СО2, Не, В и др.) в составе углекислых термальных вод [Набоков 1959; Кадик, Френкель 1980; Лаврушин 2008; Масуренков, Собисевич 2011; Арсанова 2012; Харитонова 2013 и др.]. Количество их, судя по изотопии кислорода и водорода воды, оценивается от 5 до 40% [White 1968; Кононов, Поляк 1982; Тейлор 1977; Дубинина 2005; Ферронский, Поляков 2009]. На сегодня несомненным показателем мантийности происхождения флюидов является изотопный состав гелия и углерода углекислоты [Галимов 1973; Якуцени 2010; Прасолов 1990; Поляк и др. 1998]. Углекислые газы Эльбрусского вулканического района по изотопным характеристикам гелия и углерода похожи на газы верхней мантии (MORB), в которых 3Не/4Не
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 4. Вып. 1 • 2013 Специальный выпуск СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 4, issue 1 Special issue 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb 'Raum und Zeit' Band 4, Ausgabe 1 Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
= (1,15±0,10)х10-5, а 513С = -5...-8%о. Участие мантийногенных флюидов в формировании химического состава подземных вод нижней гидрогеохимической зоны подтверждается изотопным составом гелия последних (рис. 2).
Рис. 2. Распределение величин 3Не/4Не (10-5) в глубоких подземных водах центральной части Большого Кавказа [Лаврушин 2008].
Согласно исследованиям [Лаврушин и др. 2005], углекислые воды Эльбрусского вулканического района характеризуются более узким диапазоном значений как 5D (от -100 до -78%о), так и 518О (от -14,2 до -6,0%о). В отличие от углекислых вод района КМВ и Западного Кавказа соотношение величин 5D и б18О в источниках Приэльбрусья может свидетельствовать о большей доле ювенильной компоненты в их составе. Так, углекислые минерализованные воды, вскрытые скважиной № 104, характеризуются отношением 3Не/4Не = 1,0-10-5 [Матвеева, Толстихин 1978]. В углекислых источниках западного Дагестана (Эчеда, Инхоквари, Талги) изотопное соотношение 3Не/4Не составляет (0,35 т
0,16)-10-6, что указывает на наличие неоинтрузивных тел, связанных с глубинными горизонтами земной коры и верхней мантии [Маммаев 2005]. Проведенная указанным автором водно-гелиевая и газогелиевая съемка с использованием значений соотношений 3Не/4Не (Я) и её сравнительный анализ с интенсивностью теплового потока на поверхности показал прямую корреляционную связь между этими полями и приуроченность районов термоаномалий к зонам тектонических нарушений и разрывным зонам сплошности водоупорных покрышек, что рекомендовано учитывать при выборе участков для разведочного бурения на геотермальные залежи. Таким образом, повышенные значения гелиевого поля и показателя 3Не/4Не (Я) в подземных флюидах и газах, наряду с их приуроченностью к зонам региональных тектонических нарушений, являются характерными особенностями местоположений геотермальных аномалий.
Вместе с тем, само по себе участие мантийногенных флюидов не раскрывает причину повышенной минерализации и высокой концентрации хлора в рассматриваемых водах. Основанием для такого утверждения служат имеющиеся данные по реконструкции составов глубинных флюидов, приуроченных, с одной стороны, к рифтовым структурам, а, с другой,
— к островным дугам (табл. 1).
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
Таблица 1
Состав глубинного флюида, реконструированного путем термодинамических расчетов на основании химического анализа водной и паровой фаз и газов в различных геодинамических условиях
[Кононов 1983]
Геодинамическая обстановка Состав флюида
I. Океанический рифтогенез
м. Наумафьядль (Исландия) /1HS50HCO317SO411Cl 8 NaSO47 H3SiO45F7 тт^ , тт ^тт ^ ^ M 1,4 3 4 4 3 4 pH 7 T2551, состав газа: H2, N2, CH4, CO, CO2 Na91K9 224 2
II. Субдукция
1. Вайракей (Н. Зеландия) M 3,4Cl 97 HC°32pH 6,3 6,6 T250 2550C Na90 Ca1
2. Бродлендс (Н. Зеландия) M 3,1 Cl 98 SO*' Na69 Ca21 K6 Mg3
3. Матсао (Тайвань) Cl 99 HSO41 TT _ _ 0„ M Ат an n ^ vh л/t opH 2,9 T245 C В составе газа: HCl и HF Na67 Ca23 K7 Mg2
Анализ приведенной информации свидетельствует о том, что глубинный мантийногенный флюид лишь в том случае может быть определяющим моментом в формировании углекислых вод, если мантия в этом регионе, по аналогии с островными дугами, испытывает контаминацию поступающим извне материалом, причем материал этот должен быть обогащен именно теми компонентами, которые обнаруживаются в повышенных концентрациях в углекислых водах. Следовательно, только в том случае, если в регионе происходят субдукционные процессы и в мантию поступают достаточные количества вещества для обеспечения необходимых концентраций С1, Вг, В и других компонентов солевого состава глубинного флюида, можно утверждать, что предложенная Н.В. Елмановой модель [Елманова, Шолпо 1981] отвечает реальности. Поэтому попытаемся объяснить причину высокой хлоридности гидроуглекислых проявлений Большого Кавказа обратившись к глубинной геодинамике исследуемого района.
В последние десятилетия пользуются доминирующим признанием представления о Большом Кавказе как складчатом сооружении покровно-надвигового типа, возникшем над зоной субдукции в результате поддвига ЧерноморскоЗакавказской литосферной плиты под Скифскую плиту (рис. 3).
Рис. 3. Геологический профиль через Большой Кавказ (по [Дотдуев 1986])
1 — позднеплиоценовые-четвертичные вулканиты; 2 — моласса; 3 — верхнеюрские-эоценовые шельфовые отложения; 4 — верхнеюрский-эоценовый субфлиш и флиш; 5 — байосско-батские отложения Закавказской и Скифской плит; 6 — нижне- и среднеюрские отложения; 7 — доюрскии фундамент Закавказской и Скифской плит; 8 — субстрат Гойтхско-Тфанского и Новороссий-ско-Дибрарского покровных комплексов; 9 — альпийские интрузии; 10— поверхности надвигов и покровов; 11 — преобладающее направление движения горных масс.
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 4. Вып. 1 • 2013 Специальный выпуск СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 4, issue 1 Special issue 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb 'Raum und Zeit' Band 4, Ausgabe 1 Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
Перемещение Африкано-Аравийского «клина» к северу предопределило континентальную коллизию в Кавказском регионе, за чем последовало воздымание Большого и Малого Кавказа, формирование предгорных прогибов и межгор-ных депрессий. Зона субдукции в позднеальпийское время располагалась южнее Передового хребта [Гамкрелидзе 1982; Короновский, Белов 1987 и др.]. Проекцией на поверхность Земли той части зоны субдукции, где литосферная плита начинает погружаться под кристаллический фундамент Большого Кавказа, является Северный (на западе Кахетино-Лечхумский) разлом Закавказской глыбы, простирающийся вдоль подножья южного склона Большого Кавказа, а скольжение погружающейся плиты происходит по плоскости Главного Кавказского надвига [Халилов Мехтиев Хаин 1987]. Позднеальпийская коллизия привела к горообразованию и активизации магматической и гидротермальной деятельности. При этом произошло формирование глубоких магматических очагов, которые не контролируются расположением современных тектонических зон [Короновский, Дёмина 2010]. В неогене-квартере сооружение Большого Кавказа приобрело современный структурный план.
Структурное районирование системы Большого Кавказа позволило выделить структурно-формационные зоны: Бе-часынскую, Передового хребта, Главного хребта, Бокового хребта и Южного склона, сочленяющихся друг с другом по субширотным длительно развивающимся узким подвижным зонам, получившим название тектонических швов и глубоких разломов [Милановский, Короновский 1973 и др.]. Интенсивное горизонтальное тангенциальное сжатие, вызванное продвижением к северу Закавказского массива и пододвиганием его под Скифскую плиту, повлекло образование продольных и поперечных расколов, узлы пересечения которых являются участками наибольшего структурного раскрытия и максимальной тектоно-магматической и гидротермальной активности. Субширотные зоны деформаций сжатия представляют собой в геохимическом отношении зоны сплющивания (содвига). Для них характерен определенный тип состава и интенсивности газопроявлений, отличающий их от крупных дизъюнктивов субмеридиональной ориентировки. Свободные газопроявления представлены СО2 (до 83%), Н2 (до 4—10%), СН4, (до 10%) и Не (до 0,2%). Крупные же разрывные нарушения антикавказского направления в большинстве своем являются раздвиговыми структурами. Горизонтальное тангенциальное тектоническое сжатие приводит также к образованию поперечных трещин отрыва, совпадающих по направлению с осью максимального сжатия. На Большом Кавказе наиболее значительные субмериди-ональные разломы связаны с Транскавказским поперечным поднятием, выделенным по аэрофотокосмическим снимкам, а также по данным геофизических и гидрогеохимических исследований. Поперечные разломы являются элементами более крупных (субпланетарного порядка) структур земной коры. Они, возможно, проникают на большие глубины, нежели продольные разломы и, дренируя верхнюю мантию, играют решающую роль в дифференциации вещества земной коры, частным проявлением которой является магматизм и гидротермальная деятельность. С ним ассоциируются разуплотнение вещества верхней мантии, большая мощность земной коры, приподнятое положение кристаллического фундамента, повышенный тепловой, поток, современная вулканическая (вулкан Эльбрус) и гидротермальная деятельность, относительно высокая сейсмоактивность. Приведенные данные свидетельствуют в пользу того, что Транскавказскому поперечному поднятию соответствует полоса разогретой (возможно, частично расплавленной) верхней мантии. Для субмеридиональных разломов глубокого заложения типичны следующие газопроявления (в %) СО2 — 50,5; СН4 — 42,9; Н2 — 0,8. Эманации мантийного гелия и изотопный состав углерода метана указывают на разгрузку в пределах структур поперечных разломов флюидов мантийного генезиса [Поляк 2002]. Таким образом, нео-ген-четвертичный вулканизм и магматизм Большого Кавказа контролируется отмеченными дизъюнктивами и связывается в соответствии с разными точками зрения с: а) развитием зоны субдукции на заключительных стадиях [Адамия 1982 и др.], б) с «горячим пятном» [Бубнов 2003], в) с окислением мантийных флюидов [Короновский, Дёмина 1999], г) с растеканием горячего плюмового вещества Африканского суперплюма на север [Ершов, Никишин 2004].
В результате коллизии и последующего пододвигания Закавказского массива под Скифскую плиту в покровной структуре Большого Кавказа, оказались совмещены различные формационные комплексы горных пород, произошедшие из разных палеотектонических зон: островная дуга, океанический бассейн, континентальный склон и др. Амплитуда субмеридионального сокращения центрального сегмента Большого Кавказа оценивается цифрой 200 ±50 км [До-тдуев 1987]. Как известно, в зонах Заварицкого — Беньофа процессы генерации магм протекают на фоне поступающего в мантию огромного количества материала литосферного происхождения. Погружающийся под Скифскую плиту Закавказский срединный массив содержит значительные объемы как древних седиментационных, так и современных инфильтрационных вод, пропитывающих кристаллические породы фундамента и отложения сланцевой формации осадочного чехла. В результате погружения он оказывается в РТ-условиях разогретой верхней мантии, что способствует интенсивной его дегидратации и отгону летучих в вышележащие горизонты, что вероятнее всего и служит основным источником хлоридов в гидротермах региона. При достаточно высоком (15—10 км) уровне проникновения флюидов происходит выделение тепла, что, в свою очередь, создает необходимый геотермический и геохимический фон для возбуждения процессов метаморфизма и гидротермальной деятельности. Все это свидетельствует о формировании в пределах Б. Кавказа гидротермального режима, контролируемого глубокими верхнемантийными, а также промежуточными внутрикоровыми магматическими очагами на фоне субдукции.
Special issue 'The Earth Planet System' Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
Таким образом, в соответствии с предлагаемой моделью (рис. 4), в пределах Большого Кавказа в обстановке коллизии в формировании углекислых гидротерм очевидным является участие «материнского» корневого флюида, который представляет собой смесь верхнемантийного флюида, возрожденных (отделившихся в результате термических преобразований погружающихся блоков коры), магматогенных (образованных в результате дегазации коровых магматических очагов) и конденсационных (конденсаты газовых струй) вод.
Рис. 4. Модель формирования углекислых гидротерм Большого Кавказа.
1 — граница Мохо; 2 — преобладающее направление движения горных масс; 3 — пути перемещения мантийногенных флюидов; 4 — пути перемещения эндогенных коровых флюидов; 5 — скучивание литосферного материала; 6 — область базификации литосферного материала; 7 —внутрикоровые магматические очаги; 8 — доюрский фундамент Закавказской и Скифской плит; 9 — плиоценовые отложения (пески, глины, галечники); 10 — глины с прослоями мергелей; 11 — эоценовые отложения (мергели);
12 — палеоценовые отложения (мергели, аргиллиты, песчаники); 13 — известняки с прослоями мергелей; 14 — глинистые песчаники с прослоями аргиллитов; 15 — алевролиты, аргиллиты, конгломераты, гранитная дресва; 16 — аргиллиты, песчаники, вулканические туфы; 17 — неоген-четвертичные эффузивы влк. Эльбрус; 18 — неогеновые интрузии (криптолакколиты КМВ); 19 — тектонические нарушения.
Подобный «материнский» корневой флюид обнаружен в глубоких горных выработках и скважинах, пройденных в пределах различных структурно-формационных зон мегантиклинория Большого Кавказа. Несмотря на существенное разбавление, он сформирован именно глубинными флюидами, о чем свидетельствует состав гидротерм, вскрытых наиболее глубокими горными выработками и скважинами (месторождения Тырныауз, Худес, штольня физической обсерватории РАН «Баксан», скв. № 104 и др.). С максимальной глубины на сегодня — минус 300 м относительно уровня моря в пределах Эльджуртинской неоинтрузии выведены на поверхность термальные воды следующего состава (структурная скважина ПГО «Недра», Тырныауз):
CO2 2M10
Cl 53 HCO339pH7 T93°C Na78
Эти воды характеризуются высокими концентрациями ряда микроэлементов, мг/л: Сг — 10,004; РЬ — 10,006; Си — 10,002; Zn — 27,000; Sr — 4,600; Мо — 0,180; ЯЬ — 0,600; В — 12,460; Вг — 6,300; I — 8,800; F — 2,300; Cs — 0,700. Множество же типов углекислых минеральных вод Б. Кавказа, наблюдаемое на поверхности, обязано преобразова-
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
нию химического состава «корневого материнского флюида» в гипергенных условиях (таблица 2). Среди очевидного многообразия одновременно проявляющихся процессов формирования вещественного состава углекислых минеральных вод основными, вероятно, являются все же смешение и выщелачивание.
Таблица 2
Процессы формирования состава основных типов минеральных вод
(составлено по [Барабанов 1988] с дополнениями и исправлениями)
Бальнеологические типы вод Процессы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Сульфидные В В В — Г — — — В В Г —
Йодобромные В В В — Г В В — — - —
С высоким содержанием органических веществ В В В — В Г —
Углекислые — — Г В Г Г Г — В — - —
Железистые и мышьяковистые — - — В Г — — — — Г Г —
Кислые рудничные — Г — — В — В — — Г —
Радоновые — — В В Г — В — — — — Г
Кремнистые термальные — — — В В — Г
Примечание. Принято следующее обозначение процессов: 1 — концентрационная диффузия; 2 — фильтрационный массоперенос; 3 — смешение водных растворов; 4 — гидролиз; 5 — выщелачивание и растворение; 6 — насыщение газами; 7 — кристаллизация солей; 8 — сорбция; 9 — ионный обмен; 10 — окислительно-восстановительные реакции; 11 — биогеохимические реакции; 12 — радиоактивный распад; Г — главные процессы; В — второстепенные процессы.
Математическое моделирование смешения глубинных и инфильтрационных вод, произведенное с помощью программы «WATER» (автор В.Н. Озябкин) позволило выявить, что осаждение максимальных количеств СаС03 происходит при количестве в смеси глубоких минерализованных вод от 10 до 40% и инфильтрогенных — от 60 до 90%. Установлено, что из одного и того же магматогенного флюида при различных путях миграции может образоваться более 10 типов растворов. Причем некоторые типы приурочены к определенным стадиям развития гидротермальной системы, другие образуются лишь на фазовых барьерах [Бортникова и др. 2006].
Провинция углекислых минеральных вод Большого Кавказа пространственно совмещена главным образом с его кристаллическим ядром, находящимся в состоянии наибольшего структурного раскрытия. Но как следует из разработанной модели, в пределах зоны субдукции в западном и восточном секторах Большого Кавказа вполне реальна локализация месторождений углекислых минеральных вод. Осадочный комплекс, мощность которого значительно увеличивается на «плечах» мегантиклинория Большого Кавказа, благодаря своим экранирующим свойствам способствует рассеянию глубинных флюидов и их рассредоточению.
Кроме этого, карбонатные породы осадочного чехла способствуют реакционному удалению из флюидов углекислого газа. Однако, активная гидротермальная деятельность характерна и для восточного, и западного секторов Большого Кавказа, частным проявлением которой является широкое распространение там грязевого вулканизма. Наиболее перспективными разведочными площадями, безусловно, являются зоны пересечения разнонаправленных и разновозрастных разломов глубокого заложения (как узлы максимальной тектоно-магматической и гидротермальной активности), а также разломы предпочтительно раздвигового характера деформаций и особенно их концевые участки, характеризующиеся обилием оперяющих трещин.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аверьев В.В. Гидротермальный процесс в вулканических областях и его связь с магматической деятель-
ностью / / Современный вулканизм. М.: Наука, 1966. С. 118 — 128.
2. Адамия М.А., Асанидзе В.В., Печерский Д.М. Геодинамика Кавказа (опыт палинспастических рекон-
струкций) / / Проблемы геодинамики Кавказа. М.: Наука, 1982. С. 13-21.
3. Арсанова Г.И. Вода гидротерм островодужных вулканических областей: метеорная или вулканическая?
/ / Система Планета Земля. М.: ЛЕН АНД, 2012. С. 117—136.
4. Арсанова Г.И. Щелочные элементы в гидротермах Узона / / Вулканизм, гидротермальный процесс и ру-
дообразование. М.: Недра, 1974. С. 195 — 201.
5. Барабанов Л.Н. Формирование химического состава минеральных вод / / Труды ЦНИИКиФ. 1988. Т. 34.
С. 5 — 24.
6. Бортникова С.Б., Бессонова Э.П., Трофимова Л.Б., Котенко Т.А., Николаева И.В. Гидрогеохимия газогид-
ротермальных источников вулкана Эбеко (о-в Парамушир) / / Вулканология и сейсмология. 2006.
№ 1. С. 39 — 51.
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 4. Вып. 1 • 2013 Специальный выпуск СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 4, issue 1 Special issue 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb 'Raum und Zeit' Band 4, Ausgabe 1 Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
7. Бубнов С.Н. Хронология извержений и источники расплавов новейших вулканических центров Большо-
го Кавказа. Автореф. дисс. ... канд. геол.- минералог. наук. М.: ИГЕМ РАН. 2003. 27 с.
8. Будзинский Ю.А. Роль кристаллических горных пород в формировании углекислых минеральных вод Се-
верного Кавказа / / Вопросы гидрогеологии Центрального и Восточного Предкавказья: Тр. ЛГГП АН СССР. 1962. Т. XVIII. С. 55-61.
9. Вартанян Г.С. Месторождения углекислых вод горно-складчатых регионов. М.: Недра, 1977. 285 с.
10. Врублевский М.И. Минеральные воды Центрального Кавказа как одно из проявлений его геологического
развития. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1962. 255 с.
11. Галимов Э.М. Изотопы углерода в нефтяной геологии. М.: Недра, 1973. 384 с.
12. Гамкрелидзе И.П. Мобилизм и проблемы тектоники Кавказа / / Проблемы геодинамики Кавказа. М.:
Наука, 1982. С. 4-8.
13. Дотдуев С.И. О покровном строении Большого Кавказа / / Геотектоника. 1986. № 5. С. 94-106.
14. Дотдуев С.И. Проблемы альпийской тектоники Большого Кавказа // Геология и полезные ископаемые
Большого Кавказа. М.: Наука, 1987. С. 48 — 55.
15. Дубинина Е.О., Лаврушин В.Ю., Коваленкер В.А. Изотопы кислорода и водорода в минеральных источ-
никах Приэльбрусья / / Геохимия. 2005. № 10. С. 1078 — 1089.
16. Елманова Н.М., Шолпо В.И. Анализ взаимосвязи проявления углекислых вод с глубинными процессами в
горно-складчатых регионах (на примере Кавказа) / / Бюлл. МОИП. Отд-ние геол. 1981. Т. 56. Вып.
5. С. 118 — 130.
17. Ершов А.В., Никишин А.М. Новейшая геодинамика Кавказско-Аравийско-Восточно-Африканского ре-
гиона / / Геотектоника. 2004. № 2. С. 55 — 72.
18. Кадик А.А., Френкель М.Я. Магмообразование сопряженное с декомпрессией коры и мантии в присут-
ствии летучих компонентов / / Геохимия. 1980. № 4. С. 467—496.
19. Кононов В.И. Геохимия термальных вод областей современного вулканизма. М. : Наука, 1983. 216 с.
20. Кононов В.И., Поляк Б.Г. Проблема выявления ювенильной компоненты в современных гидротермаль-
ных системах / / Геохимия. 1982. № 2. С. 163 — 177.
21. Короновский Н.В., Дёмина Л.И. Коллизионный этап развития кавказского сектора альпийского складча-
того пояса, геодинамика и магматизм / / Геотектоника. 1999. № 2. С. 17-35.
22. Короновский Н.В., Дёмина Л.И. Роль флюидов в магматизме и геодинамике коллизионного этапа развития
Кавказа / / Матер. Всероссийской конф. «Дегазация Земли: геотектоника, геодинамика, геофлюиды, нефть и газ, углеводороды и жизнь». М., ГЕОС, 2010. С. 244 — 247.
23. Короновский Н.В., Белов А.А. Геология Большого Кавказа и Предкавказья. Достижения и проблемы / /
Геология и полезные ископаемые Большого Кавказа. М.: Наука. 1987. С. 5 — 21.
24. Крайнов С.Р. Геохимия редких элементов в подземных недрах. М.: Недра, 1973. 295 с.
25. Крайнов С.Р., Волков Г.А., Петрова Н.Г. Мышьяксодержащие углекислые воды Кавказа: (Особенности
распространения, химический состав) / / Геохимия. 1974. № 2. С. 212 — 227.
26. Крайнов С.Р., Петрова Я.Г., Батуринская И.В. О геохимических особенностях и условиях формирования уг-
лекислых вод Кавказа, обогащенных литием, рубидием, цезием / / Геохимия. 1973. № 3. С. 315—326.
27. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и эколо-
гические аспекты / Отв. ред. Н.П. Лаверов. М.: Наука, 2004. 677 с.
28. Куцева Н.П. Зависимость химического состава природных вод от состава пород на примере высокогорных
районов Северного Кавказа. Автореф. дисс. ... канд. геол.-минералог. наук. Новочеркасск, 1975. 22 с.
29. Лаврушин В.Ю. Формирование подземных флюидов Большого Кавказа и его обрамления в связи с про-
цессами литогенеза и магматизма: Автореф. дисс. ... д. геол.-минералог. наук. М., 2008. 50 с.
30. Лаврушин В.Ю., Маковозов А.О. Температура минеральных вод — отражение магматогенной термоано-
малии в районе вулкана Казбек / / Вестник Владикавказского НЦ РАН, 2004,. Т. 4. № 3. С. 33—40.
31. Лаврушин В.Ю., Поляк Б.Г., Покровский Б.Г., Дубинина Е.О., Авдеенко А.С., Костенко О.Е. Новейший
вулканизм и углекислые воды Северного Кавказа / / Современные методы геолого-геофизического мониторинга природных процессов в окрестности вулканов центрального типа. М.: РАН — Миннауки РФ, 2005. С. 122 — 149.
32. Ляликова Н.Н. Микроорганизмы месторождений сульфидных руд и их роль в разрушении и образова-
нии минералов: Автореф. дисс. ... д. геол.-минералог. наук. М., 1980. 48 с.
33. Ляхович В.В. Связь оруденения с магматизмом (Тырныауз). М.: Наука, 1976. 424 с.
34. Макаренко Ф.А. О происхождении углекислых солянощелочных вод в районе Кавказских минеральных
вод / / Докл. АН СССР. 1950. Т. 72. № 2. С. 381 — 384.
35. Маммаев О.А. Геотермальные ресурсы Восточно-Предкавказского артезианского бассейна: формиро-
вание, изотопная гидрогеохимия, процессы радиотеплогенерации: Автореф. дисс. ... д. геол.-
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 4. Вып. 1 • 2013 Специальный выпуск СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 4, issue 1 Special issue 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb 'Raum und Zeit' Band 4, Ausgabe 1 Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
минер. наук. СПб.: СПбГГу, 2005. 50 с.
36. Маракушев А.А., Перчук Л.Л. Термодинамическая модель флюидного режима Земли / / Очерки физико-
химической петрологии. М.: Наука, 1974. Вып. 4. С. 102 — 130.
37. Масуренков Ю.П., Собисевич А.Л. Кавказские минеральные воды — современная гидротермальная си-
стема коромантийного генезиса / / Докл. АН, 2011. Т. 436. № 2. С. 233 — 238.
38. Масуренков Ю.П. Плотность теплового потока и глубина залегания магматического очага под вулканом
Эльбрус / / Бюлл. вулканологических станций. 1971. № 47. С. 79 — 82.
39. Масуренков Ю.П., Пахомов С.И. О геохимии хлора / / Докл. АН СССР. 1961.Т. 159. № 2. С. 453—455.
40. Матвеева Э.В., Толстихин И.Н. Изотопно-гелиевый критерий происхождения газов и выявление зон
неотектогенеза (на примере Кавказа) / / Геохимия. 1978. № 3. С. 1129 — 1138.
41. Милановский Е.Е., Короновский Н.В. Орогенный вулканизм и тектоника Альпийского пояса Евразии.
М.: Недра,1973. 277 с.
42. Набоков С.И. Вулканические эксгаляции и продукты их реакций / / Труды Акад. наук СССР, Лаборато-
рия вулканологии. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 300 с.
43. Овчинников А.М. Минеральные воды. Изд. 2-е. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 375 с.
44. Пампура В.А. Геохимия гидротермальных систем областей современного вулканизма. Новосибирск:
Наука, СО, 1985. 151 с.
45. Пантелеев И.Я. Современные представления о геологии и гидрогеологии района КМВ /Кавказские ми-
неральные воды / Ред. В.В. Иванов. М.: ЦНИИКиФ, 1972. С. 17—35.
46. Пахомов С.И. К геохимии стронция углекислых минеральных вод Приэльбрусья / / Термальные и мине-
ральные воды Северного Кавказа / Отв. ред. И.Я. Пантелеев. М.: Наука, 1965. С. 27—42.
47. Погорельский Н.С. Углекислые воды Большого района Кавказских Минеральных Вод. Ставрополь:
Ставроп. кн. изд-во, 1973. 389 с.
48. Поляк Б.Г., Каменский И.Л., Прасолов Э.М., Чешко А.Л., Барабанов Л.Н., Буачидзе Г.И. Изотопы гелия в
газах Северного Кавказа: следы разгрузки тепломассопотока из мантии / / Геохимия. 1998. № 4. С. 383 — 397.
49. Поляк Б.Г., Лаврушин В.Ю., Чешко А.Л., Покровский Б.Г. Изотопы гелия в подземных флюидах Северно-
го Кавказа / / Геология, геохимия и геофизика на рубеже ХХ и XXI веков. Т. 2. М.: ООО «Связь-Принт», 2002. С. 157—158.
50. Прасолов Э.М. Изотопная геохимия и происхождение природных газов. Л.: Недра, 1990. 284 с.
51. Сухарев Г.М., Тарануха Ю.К. Полезные ископаемые Кавказа. М.: Недра, 1977. 175 с.
52. Тейлор Х. Применение изотопии кислорода и водорода к проблемам гидротермального изменения вме-
щающих пород и рудообразования / / Стабильные изотопы и проблемы рудообразования. М.: Мир, 1977. С. 213 — 298.
53. Ферронский В.И., Поляков. В.А. Изотопия гидросферы Земли. М.: Научный мир, 2009. 632 с.
54. Халилов Э.Н., Мехтиев Ш.Ф., Хаин В.Е. О некоторых геофизических данных, подтверждающих коллизи-
онное происхождение Большого Кавказа / / Геотектоника. 1987. № 6. С. 54 — 60.
55. Харитонова Н.А. Углекислые минеральные воды северо-востока Азии: происхождение и эволюция: Ав-
тореф. дисс. ... д. геол.-минералог. наук. Томск, 2013. 46 с.
56. Хаустов В.В. Подземные воды и глубинная геодинамика Тырныауза. Курск: Изд-во КурскГТу, 2009. 180 с.
57. Хаустов В.В. Формирование подземных вод вольфрам-молибденового месторождения Тырныауз и вопросы
охраны бассейна реки Баксан от загрязнения. Автореф. дисс. ... канд. геол.-минер. наук. Л., 1990. 22 с.
58. Хитаров Н.И., Колонин Г.Р. О переходе редких щелочных элементов из альбитизированного микроклина
в раствор в гидротермальных условиях / / Экспериментальные исследования в области глубинных процессов. М.: Изд-во АН СССР, 1962. С.133 — 135.
59. Якуцени В.П. Изотопный состав гелия - универсальный маркер источника и эволюции вещества Земли
/ / Матер. Всероссийской конф. «Дегазация Земли: геотектоника, геодинамика, геофлюиды, нефть
и газ, углеводороды и жизнь». М.: ГЕОС, 2010. С. 666 — 668.
60. Яроцкий Л.А. Объяснительная записка к карте подземных минеральных вод СССР: Масштаб 1:2500000.
М.: Недра, 1976. 74 с.
61. Kilder J.W. "Heat and Mass Transfer in the Earth: Hydrothermal Systems." New Zeal. Dept. Sci. Industry 169
(1969): 115.
62. Kllis A.J., Machon W.A.J. "Natural Hydrothermal Systems and Experimental Hot-Water/Rock Interactions. Part
1." Geochim. et Cosmochim. 37.4 (1967): 519 — 538.
63. Kllis A.J., Machon W.A.J. Chemistry and Geothermal Systems. New York, 1977. 400 p.
64. Sakai H., Matsubaya O. "Stabile Isotope Studies of Japanese Geothermal Systems." Geothermics 5 (1977): 97—124.
65. White D.R. "Hydrology, Activity and Heat Flow of the Steamboat Springs Thermal System." US Geological Survey
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 4. Вып. 1 • 2013 Специальный выпуск СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 4, issue 1 Special issue 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb 'Raum und Zeit' Band 4, Ausgabe 1 Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
Professional Paper. 458 — 500 (1968): 109.
66. White D.R., Muffler L.J., Trussdell A.H. "Vapor-dominated Hydrothermal Systems Compared with Hot-Water Systems." Econ. Geol. 66.1 (1971): 75 — 97.
Цитирование по ГОСТ Р 7.0.11—2011:
Хаустов, В. В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики [Электронный ресурс] / В.В. Хаустов // Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. — 2013. — Т. 4. — Вып. 1: Система планета Земля — Стационарный сетевой адрес: 2227-9490e-aprovr_e-ast4-1.2013.24
MODEL OF CARBONATED FLUIDS' FORMATION OF THE GREATER CAUCASUS WITH CONSIDERING CHARACTERISTICS OF ITS DEEP GEODYNAMICS
Vladimir V. Khaustov, D.Sc. (Geology and Mineralogy), Associate Professor, South-West State University (Kursk, Russia)
E-mail: [email protected]
This days factors of deep groundwater formation of Great Cucasus are unexplained. Because of that, development of an adequate model for their formation is an urgent task.
Deep groundwater is generally presented by carbonate hydrothermal fluids. They are found in all structural areas of me-ganticline Greater Caucasus. For finding out their genesis, I used the natural-historical analysis, field and laboratory studies, physical modeling and statistical analysis obtained results.
I revealed the identity of the deep "root" of fluid, regardless of its affinity to a particular structural zone meganticline Greater Caucasus. On basis of this research, I developed a model of deep water formation in the light of modern deep geodynamics and geotectonic Caucasus. I found that in a situation of collision the root of the fluid is a mixture of upper mantle fluid, regenerated water (thermal conversion sinking crustal blocks), magmatogene water (degassing of crustal magma pockets) and condensation water (condensation of gas jets).
The use of the proposed model for the formation of carbonic fluids opens up prospecting and exploration of mineral carbonate and water with minerals within the eastern and western wings of the Greater Caucasus.
Keywords: degassing, geodynamics, subduction, hydrothermal fluids, carbonated mineral water, formation of carbonated hydrotherms, tectonic faults.
References:
1. Adamiya M.A., Asanidze V.V., Pechersky D.M. "Geodynamics of the Caucasus (Experience of Palinspastic Recon-
structions)." Problems of Geodynamics of the Caucasus. Moscow: Nauka Publisher, 1982, рр. 13—21. (In Russian).
2. Arsanova G.I. "Alkaline Elements in the Fluid of Uzon." Volcanism, Hydrothermal Process and Ore Formation. Mos-
cow: Nedra Publisher, 1974, pp. 195 — 201. (In Russian).
3. Arsanova G.I. "Water of Hydrotherms of Volcanic Island Arc Areas: Meteoric or Volcanic?" System Planet Earth.
Moscow: LENAND Publisher, 2012, pp. 117 — 136. (In Russian).
4. Averyev V.V. "Hydrothermal Process in Volcanic Areas and Its Connection with Magmatic Activity." Modern
Volcanism. Moscow: Nauka Publisher, 1966, pp. 118 — 128. (In Russian).
5. Barabanov L.N. "Formation of the Chemical Composition of Mineral Waters." Proceedings of the Central Research
Institute of Balneology and Physiotherapy 34 (1988): 5 — 24. (In Russian).
6. Bortnikova S.B., Bessonova E.P., Trofimova L.B., Kotenko T.A., Nikolaeva I.V. "Hydrogeochemistry of Gas-
hydrothermal Springs of the Volcano Ebeko (Island Paramushir)." Volcanology and Seismology 1 (2006):
39 — 51. (In Russian).
7. Bubnov S.N. Chronology of Eruptions and Sources of Melts Newest Volcanic Centers of the Greater Caucasus. Synopsis
of Sc.D. diss. Moscow: IGEM RAN Publisher, 2003. 27 р. (In Russian).
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
8. Budzinsky Yu.A. "Role of Crystalline Mountain Rocks in the Formation of Carbonic Mineral Waters of the North
Caucasus." Issues of Hydrogeology of the Central and Eastern Ciscaucasus: Proceedings of the Laboratory of Hydrogeological Problems of USSR Academy of Sciences XVIII (1962): 55 — 61. (In Russian).
9. Dotduev S.I. "On Integumentary Structure of the Greater Caucasus." Geotectonics 5 (1986): 94-106. (In Russian).
10. Dotduev S.I. "The Problems of the Alpine Tectonics of the Greater Caucasus." Geology and Mineral Resources of the
Greater Caucasus. Moscow: Nauka Publisher, 1987, pp. 48 — 55. (In Russian).
11. Dubinina Ye.O., Lavrushin V.Yu., Kovalenker V.A. "Oxygen and Hydrogen Isotopes in the Mineral Springs Near
Elbrus." Geochemistry 10 (2005): 1078 — 1089. (In Russian).
12. Elmanova N.M., Sholpo V.I. "Analysis of Interrelation Between the Expression of Carbonic Waters and Deep
Processes in the Mountain-folded Regions (on Example of the Caucasus)." Bulletin of Moscow Naturalists Society. Branch of Geology 56.5 (1981): 118 — 130. (In Russian).
13. Ershov A.V., Nikishin A.M. "Newest Geodynamics of the Caucasus-Arabian-East African Region." Geotectonics 2
(2004): 55 — 72. (In Russian).
14. Ferronsky V.I., Polyakov V.A. Isotopy of the Earth's Hydrosphere. Moscow: Nauchniy mir Publisher, 2009. 632 р.
(In Russian).
15. Galimov E.M. The Isotopes of Carbon in Oil Geology. Moscow: Nedra Publisher, 1973. 384 р. (In Russian).
16. Gamkrelidze I.P. Mobilism and Problems of the Caucasus Tectonics. Moscow: Nauka Publisher, 1982, pp. 4 — 8. (In
Russian).
17. Kadik A.A., Frenkel M.Ya. "Magma Genesis Conjugate with Decompression of the Crust and Mantle in the Pres-
ence of Volatile Components." Geochemistry 4 (1980): 467—496. (In Russian).
18. Khalilov E.N., Mekhtiev Sh.F., Khain V.E. "On Some Geophysical Data Confirming Greater Caucasus Collisional
Origin." Geotectonics 6 (1987): 54 — 60. (In Russian).
19. Kharitonova N.A. Carbonated Mineral Water of North-East Asia: The Origin and Evolution. Synopsis of Doctoral diss.
Tomsk, 2013. 46 р. (In Russian).
20. Khaustov V.V. Formation of Groundwater of Tungsten-Molybdenum Deposit Tyrnyauz and Issues of the Baksan Basin
Protection from Pollution. Synopsis of Sc.D. diss. Leningrad, 1990. 22 р. (In Russian).
21. Khaustov V.V. Groundwater and Deep Geodynamics of Tyrnyauz. Kursk: Izdatel'stvo KurskGTU Publisher, 2009.
180 р. (In Russian).
22. Khitarov N.I., Kolonin G.R. "On the Transition of Rare Alkaline Elements of Albitized Microcline in Solution
Under Hydrothermal Conditions." Experimental Research in the Field of Deep Processes. Moscow: Izda-tel'stvo AN SSSR Publisher, 1962, pp. 133 — 135. (In Russian).
23. Kilder J.W. "Heat and Mass Transfer in the Earth: Hydrothermal Systems." New Zeal. Dept. Sci. Industry 169
(1969): 115.
24. Kllis A.J., Machon W.A.J. "Natural Hydrothermal Systems and Experimental Hot-Water/Rock Interactions. Part
1." Geochim. et Cosmochim. 37.4 (1967): 519 — 538.
25. Kllis A.J., Machon W.A.J. Chemistry and geothermal systems. New York, 1977. 400 p.
26. Kononov V.I. Geochemistry of Thermal Waters of Modern Volcanism Areas. Moscow: Nauka Publisher, 1983. 216 р.
(In Russian).
27. Kononov V.I., Polyak B.G. "The Problem of Identification of the Juvenile Component in Modern Hydrothermal
Systems." Geochemistry 2 (1982): 163 — 177. (In Russian).
28. Koronovsky N.V., Belov A.A. "Geology of the Greater Caucasus and the Precaucasus. Achievements and Concerns."
Geology and Mineral Resources of the Greater Caucasus. Moscow: Nauka Publisher, 1987, pp. 5—21. (In Russian).
29. Koronovsky N.V., Demina L.I. "Collisional Stage in the Development of the Caucasian Sector of Alpine Folded
Belt, Geodynamics and Magmatism." Geotectonics 2 (1999): 17—35. (In Russian).
30. Koronovsky N.V., Demina L.I. "Role of Fluids in Magmatism and Geodynamics Collisional Stage of the Caucasus
Development." / Materialy Vserossiyskoy konferentsii "Degazatsiya Zemli: geotektonika, geodinamika, geoflyuidy, neft' i gaz, uglevodorody i zhizn' " [Proceedings of All-Russian Conference 'Earth Degassing: Geotectonics, Geodynamics, Geofluids, Oil and Gas, Hydrocarbons and Life']. Moscow: GEOS Publisher, 2010, pp. 244 — 247. (In Russian).
31. Kraynov S.R. Geochemistry of Trace Elements in the Underground Bowels. Moscow: Nedra Publisher, 1973. 295 р. (In
Russian).
32. Kraynov S.R., Petrova Ya.G., Baturinskaya I.V. "On Geochemical Characteristics and Conditions of the For-
mation of Caucasus Carbonate Water Enriched Lithium, Rubidium, Cesium." Geochemistry 3 (1973): 315 — 326. (In Russian).
33. Kraynov S.R., Ryzhenko B.N., Shvets V.M. Geochemistry of Groundwater. Theoretical, Applied and Ecological Aspects.
Ed. N.P. Laverov. Moscow: Nauka Publisher, 2004. 677 р. (In Russian).
34. Kraynov S.R., Volkov G.A., Petrova N.G. "Arsenic Containing Carbonated Water of Caucasus (Features of Dis-
tribution, Chemical Composition)." Geochemistry 2 (1974): 212 — 227. (In Russian).
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 4, issue 1 Special issue 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb 'Raum und Zeit' Band 4, Ausgabe 1 Spezialausgabe 'System Planet Erde
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
35. Kutseva N.P. Dependence of the Chemical Composition of Natural Waters on the Composition of the Rocks on the Example of
High Mountain Areas of the Northern Caucasus. Synopsis of Sc.D. diss. Novocherkassk, 1975. 22 р. (In Russian).
36. Lavrushin V.Yu. Formation the Underground Fluids of the Greater Caucasus and Its Surroundings due to the Processes of
Magmatism and Lithogenesis. Synopsis of Doctoral diss. Moscow, 2008. 50 р. (In Russian).
37. Lavrushin V.Yu., Makovozov A.O. "The Temperature of Mineral Waters — a Reflection of Magmatogenic Ther-
mal Anomaly in the Area of the Volcano Mount Kazbek." Herald of the Vladikavkaz Scientific Center of Russian Academy of Sciences 4.3 (2004): 33—40. (In Russian).
38. Lavrushin V.Yu., Polyak B.G., Pokrovsky B.G., Dubinina E.O., Avdeenko A.S., Kostenko O.E.. "Newest Volcan-
ism and Carbonated Waters of the North Caucasus." Modern Methods of Geological and Geophysical Monitoring of Natural Processes in the Neighborhood of the Central Volcanoes. Moscow: RAN Pblisher — Minnauki RF Publisher, 2005, pp. 122 — 149. (In Russian).
39. Lyakhovich V.V. Connection Between Mineralization and Magmatism (Tyrnyauz). Moscow: Nauka Publisher. 1976.
424 р. (In Russian).
40. Lyalikova N.N. Microorganisms of Sulfide Ore Deposits and Their Role in the Minerals Destruction and Formation.
Synopsis of Doctoral diss. Moscow, 1980/ 48 р. (In Russian).
41. Makarenko F.A. "On the Origin of Carbonate Salt-Alkaline Waters in the Region of Caucasian Mineral Waters."
Doklady AN SSSR [Reports of the Academy of Sciences of the USSR] 72.2 (1950): 381 — 384. (In Russian).
42. Mammaev O.A. Geothermal Resources of the East Ciscaucasus Artesian Basin: Formation, Isotopic Hydrogeochemistry,
the Processes of Radio-heat Generation. Synopsis of Doctoral diss. St. Petersburg: SPbGGU Publisher, 2005. 50 р. (In Russian).
43. Marakushev A.A., Perchuk L.L. "Thermodynamic Model of Fluid Regime of the Earth." Essays on Physical and
Chemical Petrology. Moscow: Nauka Publisher, 1974, issue 4, pp. 102 — 130. (In Russian).
44. Masurenkov Yu.P. "The Heat Flux Density and the Depth of the Magma Chamber Beneath the Volcano Elbrus."
Bulletin of the Volcanological Stations. 47 (1971): 79 — 82. (In Russian).
45. Masurenkov Yu.P., Pakhomov S.I. "On the Chlorine Geochemistry." Doklady AN SSSR [Reports of the Academy of
Sciences of the USSR] 159.2 (1961):.453 — 455. (In Russian).
46. Masurenkov Yu.P., Sobisevich A.L. "Caucasian Mineral Waters — a Modern Hydrothermal System Crust-mantle
Genesis." Doklady AN [Reports of the Academy of Sciences] 436,2 (2011): 233 — 238. (In Russian).
47. Matveeva E.V., Tolstikhin I.N. "Helium-Isotopic Criterion of Gases Origin and Identification of Areas of Neo-
Tectogenesis (On the Example of Caucasus)." Geochemistry 3 (1978): 1129 — 1138. (In Russian).
48. Milanovsky E.E., Koronovsky N.V. Orogenic Volcanism and Tectonics of Eurasia Alpine Belt. Moscow: Nedra Pub-
lisher, 1973. 277 р. (In Russian).
49. Nabokov S.I. "Volcanic Exhalations and Products of Their Reactions." Proceedings of USSR Academy of Science, La-
boratory of Volcanology. Moscow: Izdatrl'stvo AN SSSR Publisher, 1959. 300 р. (In Russian).
50. Ovchinnikov A.M. Mineral Waters. Moscow: Gosgeoltekhizdat Publisher. 1963, 2nd ed. 375 р. (In Russian).
51. Pakhomov S.I. "By the Geochemistry of Strontium Carbonate Mineral Waters of Near Elbrus." Thermal and Mineral
Waters of the North Caucasus. Ed. I.Ya. Panteleyev. Moscow: Nauka Publisher, 1965, pp. 27—42. (In Russian).
52. Pampura V.A. Geochemistry of Hydrothermal Systems of Modern Volcanism Areas. Novosibirsk: Nauka Publisher,
1985. 151 р. (In Russian).
53. Panteleyev I.Ya. "Modern Conceptions on the Geology and Hydrogeology of the Caucasian Mineral Waters Area."
Caucasian Mineral Waters. Ed. V.V. Ivanov. Moscow: TsNIIKiF Publisher, 1972, pp. 17—35. (In Russian).
54. Pogorelsky N.S. Carbonated Water of a Greater Region of Caucasian Mineral Waters. Stavropol: Stavropol'skoe
knizhnoe izdatel'stvo Publisher, 1973. 389 р. (In Russian).
55. Polyak B.G., Kamensky I.L., Prasolov E.M., Cheshko A.L., Barabanov L.N., Buachidze G.I. "Helium Isotopes in
the Gases of the Northern Caucasus: the Traces of Thermal Mass Flow Unloading from the Mantle." Geochemistry 4 (1998): 383 — 397. (In Russian).
56. Polyak B.G., Lavrushin V.Yu., Cheshko A.L., Pokrovsky B.G. "Helium Isotopes in the North Caucasus Under-
ground Fluids." Geology, Geochemistry and Geophysics at the Turn of XX and XXI Centuries. Moscow: OOO "Svyaz'-Print" Publisher, 2002, vol. 2, pp. 157 — 158. (In Russian).
57. Prasolov E.M. Isotope Geochemistry and Origin of Natural Gases. Leningrad: Nedra Publisher, 1990. 284 р. (In Russian).
58. Sakai H., Matsubaya O. "Stabile Isotope Studies of Japanese Geothermal Systems." Geothermics 5 (1977): 97—124.
59. Sukharev G.M., Taranukha Yu.K. Minerals of the Caucasus. Moscow: Nedra Publisher, 1977. 175 р. (In Russian).
60. Taylor H.P., Jr. "The Application of Oxygen and Hydrogen Isotope Studies to Problems of Hydrothermal Altera-
tion and Ore Deposition." Stable Isotopes and Problems of Ore Formation. Moscow: Mir Publisher, 1977, pp. 213 — 298. (In Russian).
61. Vartanyan G.S. The Deposits of Carbonate Water of Mountain-folded Regions. Moscow: Nedra Publisher, 1977. 285 р.
(In Russian).
Хаустов В.В. Модель формирования углекислых гидротерм большого Кавказа с учетом особенностей его глубинной геодинамики
62. Vrublevsky M.I. Mineral Waters of the Central Caucasus as One of the Manifestations of Its Geological Development.
Leningrad: Izdatel'stvo Leningradskogo universiteta Publisher, 1962. 255 р. (In Russian).
63. White D.R. "Hydrology, Activity and Heat Flow of the Steamboat Springs Thermal System." US Geological Survey
Professional Paper. 458 — 500 (1968): 109.
64. White D.R., Muffler L.J., Trussdell A.H. "Vapor-dominated Hydrothermal Systems Compared with Hot-Water
Systems." Econ. Geol. 66.1 (1971): 75 — 97.
65. Yakutseni V.P. "The Isotopic Composition of Helium — the Universal Marker of the Source and Evolution of the
Earth." Materialy Vserossiyskoy konferentsii "Degazatsiya Zemli: geotektonika, geodinamika, geoflyuidy, neft' i gaz, uglevodorody i zhizn' " [Proceedings of All-Russian Conference 'Earth Degassing: Geotectonics, Geodynamics, Geofluids, Oil and Gas, Hydrocarbons and Life']. Moscow: GEOS Publisher, 2010, pp. 666 — 668. (In Russian).
66. Yarotsky L.A. Explanatory Notes to the Map of Underground Mineral Waters of the USSR: Scale 1:2,500,000. Moscow:
Nedra Publisher, 1976. 74 р. (In Russian).
Cite MLA 7:
Khaustov, V. V. "Model of the Formation Carbonate Fluids of the Greater Caucasus with Considering Characteristics of Its Deep Geodynamics." Elektronnoe nauchnoe izdanie Al'manakh Prostranstvo i Vremya, Spetsialny vypusk Sistema planeta Zemlya [Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time. Special Issue 'The Earth Planet System'] 4.1
(2013). Web. <2227-9490e-aprovr_e-ast4-1.2013.24>. (In Russian).
